ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ
YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Berkan ÇERKEZOĞLU
Anabilim Dalı : Makine Mühendisliği Programı : Isı - Akışkan
OCAK 2010
OCAK 2010
ĐSTANBUL TEKNĐK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ
YÜKSEK LĐSANS TEZĐ Berkan ÇERKEZOĞLU
(503071102)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 25 Aralık 2009 Tezin Savunulduğu Tarih : 28 Ocak 2010
Tez Danışmanı : Prof. Dr. A. Feridun ÖZGÜÇ
Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Đ. Cem PARMAKSIZOĞLU Prof. Dr. Salim ÖZÇELEBĐ
ÖNSÖZ
Günümüzde endüstriyel soğutma geçmişte olduğundan daha büyük öneme sahiptir. Süpermarket, soğuk hava deposu gibi işletmelerde çok düşük sıcaklıklarda soğutma yapılması gerekmektedir. Çok düşük sıcaklıklarda soğutma yapılabilmesi ise tek kademeli soğutma sistemleri ile ya imkansız ya da çok zordur. Bununla birlikte kaskad sistemlerin düşük sıcaklık kademesinde halojene hidrokarbonlar, görece yetersiz termofiziksel özellikleri nedeniyle ilk akla gelen tercih değildirler. Bu nedenle düşük sıcaklık kademesinde karbondioksit kullanımına bir yönelim vardır. Karbondioksitin üstün ısı geçiş özellikleri ve büyük hacimsel kapasitesi kaskad soğutma sistemlerinin düşük sıcaklık kademesinde kullanımını cazip hale getirmektedir. Ayrıca karbondioksitin çevreye olan zararı ve küresel ısınmaya etkisi yapay soğutucu akışkanlardan daha azdır. Bu da karbondioksitin tercih sebebi olmasında başka bir etkendir.
Bu çalışmada soğutucu akışkan olarak karbondioksit kullanılan kaskad devreler tanıtılmış ve R404A/CO2 kaskad soğutma sisteminin termodinamik incelemesi yapılmıştır.
Bilimsel araştırmalara oldukça açık olan bu konuda beni çalışmaya sevk eden değerli hocam Prof. Dr. Feridun ÖZGÜÇ’e ve hayatım boyunca benden hiçbir konuda desteklerini esirgemeyen sevgili aileme teşekkürlerimi sunarım.
Aralık 2009 Berkan ÇERKEZOĞLU Makine Mühendisi
ĐÇĐNDEKĐLER Sayfa ÖNSÖZ………v ĐÇĐNDEKĐLER……….vii KISALTMALAR………...ix ÇĐZELGE LĐSTESĐ..………xi
ŞEKĐL LĐSTESĐ ……….xiii
SEMBOL LĐSTESĐ………..xv
ÖZET………...xvii
SUMMARY………..xix
1. GĐRĐŞ……… 1
1.1 Literatür Özeti……….. 1
2. SOĞUTUCU AKIŞKAN OLARAK KARBONDĐOKSĐT….………...3
2.1 Karbondioksitin Fiziksel Özellikleri………..………. 3
3. KARBONDĐOKSĐTĐN DĐĞER SOĞUTUCU AKIŞKANLARLA KARŞILAŞTIRILMASI... 9
3.1 Sıcaklık ve Basınç………... 9
3.2 Soğutma Tesir Katsayısı ve Kapasite………... 11
3.3 Devre Elemanları……….. 13
3.4 Karbondioksit ve Tuz Çözeltilerinin Karşılaştırılması………. 15
3.5 Hapsolmuş Sıvı………... 18
3.6 Baloncuklanma Derinliği..………... 19
3.7 Sıcaklık Gradyanı………...22
4. DEVRE KURULUMUNDA GÖZ ÖNÜNDE BULUNDURULMASI GEREKEN HUSUSLAR………..25
4.1 Karbondioksit Korozyonu……….25
4.2 Sızıntı……… 26
4.2.1 Amonyum Karbamat Oluşumu………. 27
4.3 Üçlü Noktaya Yakın Karbondioksit……….. 28
4.4 Soğutma Sisteminin Durdurulması...……… 28
4.5 Aşırı Soğutma ve Aşırı Kızdırma……… 29
4.6 Kaskad Ünitedeki Sıcaklık Farkı………... 30
4.7 Karbondioksit Kalitesi………. .31
4.8 Karbondioksit Devresinde Kötü Koku Oluşumu……… ..32
4.9 Karbondioksitin Devreye Doldurulması……… 32
4.10 Taşırmalı Evaporatörler……….. 32
4.11 Doğrudan Genişlemeli Evaporatörler………. 35
4.12 Sistemde Yağlama……….. 37
5. R404A/CO2 KASKAD SOĞUTMA SĐSTEMĐNĐN TERMODĐNAMĐK
ANALĐZĐ………39
5.1 Soğutma Sisteminin Tanıtılması………. ………..39
5.2 Sistemin Termodinamik Đncelemesi ……….43
5.2.1 Üst Sıcaklık Kademesinin Termodinamik Đncelemesi ………...47
5.2.2 Alt Sıcaklık Kademesinin Termodinamik Đncelemesi….………... ...53
6. SONUÇLAR………..61
KAYNAKLAR………..63
KISALTMALAR
HFC : Halojene Edilmiş Hidrokarbon COP : Coefficent of Performance DG : Doğrudan Genişlemeli PPM : Particule Per Million PAO : Polialfaolefin
ÇĐZELGE LĐSTESĐ
Sayfa
Çizelge2.1: -30 o
C’de doymuş buhar ve 10 oC’de doymuş sıvı hatları için boru çapları ve hızlar ………...
7
ŞEKĐL LĐSTESĐ
Sayfa
Şekil 2.1 : Karbondioksitin basitleştirilmiş P-h diagramı...………4
Şekil 2.2 : R404A/CO2 soğutma sistemlerinin genel görünüşü...…….. …………5
Şekil 2.3 : R404A ve R744 için çeşitli buharlaşma sıcaklıklarında kompresör güçleri ………6
Şekil 2.4 : Aynı ısı değiştiricide R404A ve R744 için ısı geçişlerinin karşılaştırılması ...………7
Şekil 3.1 : Bazı soğutucu akışkanların 1 ve 41 bardaki sıcaklıkları ve kritik sıcaklıkları...………10
Şekil 3.2 : -40 o C, -10 oC, 20 oC sıcaklıklardaki basınçlar ve kritik basınçlar...10
Şekil 3.3 : Çeşitli soğutucu akışkanların 100 KW kapasite için boru çapları ……...13
Şekil 3.4 : R507‘ye göre plakalı buharlaştırıcı ve yoğuşturucu ısı geçişleri..………14
Şekil 3.5 : Karbondioksit ve tuz çözeltisinin kullanıldığı bir kaskad soğutma sistemi………...…15
Şekil 3.6 : Bazı tuz çözeltileri ve CO2 için boru çapları...……….16
Şekil 3.7 : Hapsolmuş sıvı bölgesindeki basınç artışına karşılık gelen sıcaklık artışı………...18
Şekil 3.8 : Baloncuklanma Derinliği………..20
Şekil 3.9 : Soğutucu akışkanların baloncuklanma derinlikleri………...21
Şekil 3.10 : Bazı soğutucu akışkanlar için -40 o C ve -10 oC’deki aşırı soğutma sıcaklık farkları...………...23
Şekil 4.1 : Kuru buz oluşumu durumunda hazne tasarımı………...27
Şekil 4.2 : Karbondioksitli soğutma sisteminin durdurulması………...27
Şekil 4.3 : Kaskad soğutma ünitesindeki sıcaklık değerleri………...29
Şekil 4.4 : Kızgın buhar soğutuculu bir kaskad soğutma ünitesindeki sıcaklık değerleri………30
Şekil 4.5 : Taşırmalı evaporatörlerde çıkış şekilleri………...33
Şekil 4.6 : Sıvı haznesinde istenmeyen durumlar...………...34
Şekil 4.7 : DG soğutucu ünitelerin yerleşim biçimleri...………...35
Şekil 4.8 : Karbondioksit ve yağ yoğunluklarının sıcaklıkla değişimi.………38
Şekil 5.1 : R404A/CO2 kaskad soğutma sisteminin devre şeması...………40
Şekil 5.2 : Soğutma Devre Elemanları...………41
Şekil 5.3 : Đki kademeli soğutma sistemi...………42
Şekil 5.4 : CoolPack’de incelenmiş çevrimin analizi.………45
Şekil 5.5 : CoolPack’de incelenen çevrimin giriş değerleri...………45
Şekil 5.6 : Çevrimin her noktasındaki özelik değerleri………….….………46
Şekil 5.7 : Çevrim hakkındaki yardımcı bilgiler…....………46 Şekil 5.8 : Üst kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarında alt
Şekil 5.9 : Üst kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarında kaskad kondenser ve üst kademe kondenserdeki ısı geçişleri.. ………47 Şekil 5.10 : Üst kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarında her iki
kademede kompresörde harcanan güçler...………..…49 Şekil 5.11 : Tipik R404A kompresörünün izentropik veriminin değişimi……...…..50 Şekil 5.12 : Üst kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarında
her iki kademede dolaşan akışkanların kütlesel debileri...50 Şekil 5.13 : Üst kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarına göre
alt, üst kademe ve toplam soğutma tesir katsayısı değerleri………...…51 Şekil 5.14 : Üst kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarına göre
carnot ve ikinci yasa verimleri...………..52 Şekil 5.15 : Alt kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarındaki
soğutma kapasiteleri...………53 Şekil 5.16 : Üst kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarında alt
kademe evaporatördeki ısı geçişleri...………54 Şekil 5.17 : Alt kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarına göre
her iki kademede dolaşan soğutucu akışkan debileri..………55 Şekil 5.18 : Alt kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıkları için
her iki kademede gerekli kompresör güçleri...………55 Şekil 5.19 : Tipik bir CO2 kompresörünün izentropik veriminin değişimi.…...……56 Şekil 5.20 : Alt kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarına göre
alt, üst kademe ve toplam soğutma tesir katsayısı değerleri……...……57 Şekil 5.21 : Alt kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarına göre
her iki kademede verimlerin değişimi...……….…58 Şekil 5.22 : Alt kademenin çeşitli buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarına göre
SEMBOL LĐSTESĐ Hb : Baloncuklanma derinliği h : Entalpi P : Basınç T : Sıcaklık ∆ : Fark η : Verim Ø : Çap ṁ : Kütlesel debi Q& : Isıl güç W& : Mil gücü
CO2 KULLANILAN KASKAD SOĞUTMA SĐSTEMĐNĐN ANALĐZĐ
ÖZET
Soğutma sistemlerinde temel amaç soğuk bir ortamdan ısı çekmektir. Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerindeki evaporatörlerde soğutulan ortamdan çekilen ısı yardımıyla devredeki soğutucu akışkan buharlaştırılır, kompresör aracılığı ile sıkıştırılır ve kondenser yardımıyla daha sıcak bir ortama ısı atılır. Kaskad soğutma sistemlerinde ise birden fazla kademe vardır. Đki kademeli kaskad soğutma sisteminde düşük sıcaklık kademesinin kondenseri yüksek sıcaklık kademesinin evaporatörü olarak çalışmaktadır. Kaskad ısı değiştirici, düşük sıcaklık kademesinde dolaşan soğutucu akışkandan çektiği ısı yardımıyla yüksek sıcaklık kademesindeki soğutucu akışkanı buharlaştırırken, düşük sıcaklıktaki soğutucu akışkan ise yoğuşur. Bu tez çalışmasında düşük sıcaklık kademesinde karbondioksit kullanılan kaskad soğutma sistemleri tanıtılmış, kaskad soğutma devresi kurulumunda korozyon, karbondioksit sızıntısı, soğutma sisteminin durdurulması, devredeki karbondioksitin aşırı soğutma ve aşırı kızdırma işlemleri, soğutma sisteminde yağlama, buz çözme, kötü kokuların giderilmesi gibi göz önünde bulundurulması gereken önemli noktalara değinilmiştir. Karbondioksit sıcaklık, basınç, soğutma tesir katsayısı, kapasite gibi yönlerden diğer soğutucu akışkanlarla karşılaştırılmıştır. Önemli devre elemanları özellikler doğrudan genişlemeli ve taşırmalı evaporatörler anlatılmış, evaporatör tasarım parametreleri ve optimal devre kurulum şekillerine dikkat çekilmiştir. Soğutma sistemi kurulumundaki bazı kritik tasarım parametrelerine değinilmiştir. Termodinamik incelemede R404A CO2 kaskad soğutma sistemlerinde çeşitli yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıkları için soğutma tesir katsayısı, verim, ısı değiştirici kapasiteleri, gerekli net kompresör güçleri ve devrelerde dolaşan akışkan debileri hesaplanmış ve çıkan sonuçlar irdelenmiştir.
ANALYSIS OF A CASCADE REFRIGERATION SYSTEM USING CO2 AS A
REFRIGERANT
SUMMARY
The basic goal of refrigeration systems are to remove heat from a cold medium. In evaporators of vapour compression refrigeration systems refrigerant in the circuit is being evaporated with the help of the heat which is removed from the cold medium, then the refrigerant is being compressed and the heat is being transferred to the warm medium via condensers. There are multiple stages in cascade refrigeration systems. In a two-stage cascade refrigeration system the cascade heat exchanger is the evaporator of high temperature stage and the condenser of the low temperature stage. Cascade heat exchanger evaporates the high temperature refrigerant with the help of the heat which is rejected from the low temperature refrigerant as the low temperature refrigerant is being condensed.
In this thesis cascade refrigeration systems which are using carbon dioxide as a refrigerant in low temperature level are introduced. Practical aspects in carbon dioxide refrigeration circuit installations such as corrosion, carbon dioxide leakage, system shut-down, superheating and subcooling operations, lubrication, defrost, and removing fouling are discussed. Carbon dioxide is compared with other refrigerants by means of temperature, pressure, COP of refrigeration, capacity and etc. Important system components especially direct expansion and flooded flow evaporators are covered. Some critical design parameters and optimal system installation methods are described.
In thermodynamic analysis COP of refrigeration, efficiency, heat exchanger and compressor capacities, and mass flow rates are being calculated. Also there is a discussion about these results in the final chapter.
1. GĐRĐŞ
Günümüzde süpermarket, soğuk hava deposu, buz pisti gibi işletmelerin soğutulmasında kullanılan soğutucu akışkanların çevreye olan zararlı etkileri bilinmektedir. Bu işletmeler küresel ısınmaya doğrudan ve dolaylı olarak sebep olmaktadırlar. Halojene edilmiş hidrokarbon (HFC) soğutucu akışkanların soğutma devrelerinden sızmasıyla oluşan yüksek düzeyde sera etkisinin yanında, büyük miktarda elektik enerjisinin kullanımı da dolaylı olarak küresel ısınmaya katkı sağlamaktadır. HFC soğutucu akışkan kullanımı yasal ve yaygın olmakla birlikte, son yıllarda doğal soğutucu akışkanların kullanımına önem verilmeye başlanmıştır. Doğal soğutucu akışkanlar amonyak, propen, propilen gibi hidrokarbonlar ve karbondioksit soğutma endüstrisine çevre dostu çözümler sunmakta ve diğer sentetik soğutucu akışkanlar kadar ozon tabakasına zarar vermemekle birlikte küresel ısınmada daha az pay sahibi olmaktadırlar.
Karbondioksit evlerde ısı pompası yardımıyla sıcak su elde edilmesinden, süpermarket ve buz pisti soğutma gibi ticari uygulamalara kadar birçok ısıtma ve soğutma uygulamalarında, uzun vadeli çözümler sunmaktadır.
1.1 Literatür Özeti
Alt sıcaklık kademesinde soğutucu akışkan olarak karbondioksit kullanılan soğutma sistemlerinin sayısında son yıllarda tekrar artış gözlenmiştir. Bu nedenle literatürde bu konuyla ilgili çok sayıda yayına ulaşılabilmektedir. Campbell ve arkadaşlarının çalışmasında sera gazı salınımının dolaylı ve doğrudan etkilerini azaltabilmek için kurulmuş, R404A ve CO2 kullanılan soğutma sistemi incelenmiştir. Bu çalışmada HFC kullanımından kaçınıldığı için doğrudan, Sistemin soğutma tesir katsayısı ise HFC kullanılan sistemlere göre daha yüksek olduğundan da dolaylı yönden sera gazı emisyonlarının düşürüldüğü gösterilmiştir. Çalışmada öncelikle yeni sistemin çalışma presibini gösteren soğutma sistemi deney tesisatı tanıtılmış daha sonra da
verim, işletme maliyeti ve CO2 emisyonu değerlerinin geleneksel sistemlerle karşılaştırılmasına yer verilmiştir.[9]
Dopazo ve arkadaşlarının yapmış olduğu çalışmada amonyak ve CO2 kullanılan soğutma sistemleri incelenmiş, soğutma tesir katsayısı ve ekserji analizi yapılmış bununla birlikte optimum CO2 yoğuşma sıcaklığı incelenmiştir. [6]
Lee ve arkadaşlarının yapmış olduğu çalışmada da soğutma tesir katsayısı değerinin en yükseğe çıkarılması ve ekserji kaybının en alt seviyeye indirilmesi adına yapılan deneysel ve teorik çalışmalarda karbondioksitin kaskad ısı değiştirici içerisindeki optimum yoğuşma sıcaklığı araştırılmıştır.[8]
2. SOĞUTUCU AKIŞKAN OLARAK KARBONDĐOKSĐT
Karbondioksit (R744) soğutma alanında uzun yıllardan beri kullanılmaktadır. Karbondioksitin soğutucu akışkan olarak keşfedilmesi 1850’li yıllara dayanmaktadır. Đngiltereli bilim adamı Alexander Twining ilk defa karbondioksitin bir soğutucu akışkan olarak kullanılmasını teklif etmiş ve patentini almıştır, 1920’lerden 1930’lara kadar soğutma sistemlerinde karbondioksit kullanımı en üst düzeyde olmuş, 1930’lardan 1960’lara kadar düşüşe geçmiş ve 1960’larda kullanımı tamamen bırakılmıştır. 1990’larda Kilmarnock Scotland isimli firma karbondioksitle çalışan yeni bir soğutma sistemi tanıtmış ve karbondioksit, soğutucu akışkan olarak tekrar gündeme gelmiştir. O günden bu güne dek kullanılmaya devam etmiş ve gelecekte de kullanılmaya devam edecektir. [9]
2.1 Karbondioksitin Fiziksel Özellikleri
Karbondioksitin on adet önemli özelliği vardır: • Zehirleyici değildir
• Parlayıcı değildir • Çevreye zararı azdır
• Kritik nokta değerleri düşüktür • Üçlü nokta değerleri düşüktür • Yüksek basınçlıdır
• Hacimsel kapasitesi yüksektir • Isı geçiş kabiliyeti yüksektir • Ucuzdur
Karbondioksitin diğer soğutucu akışkanlara göre en önemli olumlu özelliği zehirleyici ve parlayıcı olmamasıdır. Bu özellikler diğer soğutucu akışkanları çoğunlukla sınırlamaktadır. Karbondioksitin kritik nokta sıcaklığı 31 oC olması nedeniyle görece düşük iken, kritik nokta basıncı olan 73.6 bar, bu sıcaklığa göre yüksek bir basınç sayılır. Üçlü nokta sıcaklığı -56.6 oC
ve üçlü nokta basıncı 5.2 bardır. Bu özelliğiyle karbondioksit, kullanımı yaygın olan soğutucu akışkanlar arasında üçlü nokta basıncı atmosfer basıncından yüksek olan tek soğutucu akışkandır. Kritik sıcaklığın altında kalabilmek için yoğuşmanın 0 o
C’nin altında gerçekleştiği kaskad sistemler kurulmalıdır. Soğutma sisteminin sınırları Şekil 2.1’deki basitleştirilmiş P-h diyagramında mavi renkli bölge ile belirtilmiştir.
Şekil 2.1 : Karbondioksitin basitleştirilmiş P-h diagramı Katı – Buhar K a tı S ıv ı Sıvı – Buhar Sıvı Buhar Kritik Üstü 5.2 bar 73.6 Entalpi B a s ın ç
Şekil 2.2 : R404A/CO2 soğutma sistemlerinin genel görünüşü [9]
Şekil 2.2’de R404A ve CO2 soğutucu akışkanlı kaskad soğutma devreleri görülmektedir. Sistemin derli toplu oluşu ve az yer kaplaması gözden kaçmamaktadır.
Karbondioksitli soğutma sistemlerinin hacimsel soğutma kapasiteleri yüksek buhar yoğunluğunun sonucu olarak diğer soğutucu akışkanlara kıyasla yüksektir. Bununla birlikte devredeki kompresör R22 kullanılan devrelere göre 6-8 kat daha küçüktür. Şekil 2.3’de karbondioksitli ve R404A’lı iki soğutma sisteminin çeşitli buharlaşma sıcaklıklarına göre kompresörün gerektirdiği mil güçleri karşılaştırılmıştır.
1 10 100 1000 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 Buharlaşma sıcaklığı (°C) K o m p re s ö r G ü c ü ( k W ) R744 R404A
Şekil 2.3 : R 404A ve R 744 için çeşitli buharlaşma sıcaklıklarında kompresör güçleri [9]
Her iki sistemde de aynı kompresör kullanılmış olup, yoğuşma sıcaklığı -10 oC ve kompresör hızları 1470d/d’dır. Karbondioksit kullanılan sistemin R404A kullanılan sistemden kat kat fazla soğutma kapasitesine sahip olduğu görülmektedir.
Yüksek hacimsel kapasitenin avantajı boru çaplarında da kendisini göstermektedir. Kapasitenin yüksek oluşu boru çaplarının azalmasını sağlamaktadır. Bu durum ayrıca hatlarda kullanılan vana maliyetlerini de azaltmaktadır. Çizelge 2.1 karbondioksit, R404A ve amonyak (R717) kullanılan 150 KW kapasiteli 3 ayrı soğutma sistemindeki boru çaplarını göstermektedir.
Soğutucu Akışkan R404A R717 R744 Hız 11.3 m/s 25.6 m/s 7.7 m/s Kuru Emme Hattı Çap 101.6 mm 72.6 mm 50.8 mm Hız 0.6 m/s 0.3 m/s 1.1 m/s Yoğuşmuş Sıvı Hattı Çap 38.1 mm 25.4 mm 25.4 mm Çizelge 2.1: -30 o
C’de doymuş buhar ve 10 oC’de doymuş sıvı hatları için boru çapları ve hızlar [9]
Karbondioksitin üstün ısıl özellikleri sayesinde evaporatörler R404A kullanılan sistemlerdeki evaporatörlere kıyasla daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilmektedir. Karbondioksitli sistemlerde evaporatörler R404A’lı evaporatörlere göre 2 oC daha yüksek sıcaklıkta çalışabilmektedir. Üstün ısı geçiş özellikleri evaporatörlerde kapasite artışını beraberinde getirmektedir. Şekil 2.4 aynı ısı değiştirici geometrisi için kapasitede %10 kadar artış olduğunu göstermektedir.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 -2 °C -16 °C -28 °C Buharlaşma Sıcaklığı (°C) K a p a s it e ( k W ) R404A R744
3. KARBONDĐOKSĐTĐN DĐĞER SOĞUTUCU AKIŞKANLARLA KARŞILAŞTIRILMASI
Aşağıda, süpermarket, soğuk hava deposu, gıda işleme tesislerinin kaskad soğutucu sistemlerinin düşük sıcaklık kademesinde kullanılabilecek CO2 ve bazı diğer soğutucu akışkanları karşılaştırması yapılmıştır.
-10 oC’de yoğuşma ve -40 oC’de buharlaşma durumlarında CO2 üstün bir soğutucu akışkandır. Bazı durumlarda ise mümkün olan tek seçenektir. Her soğutucu akışkanın avantajları ve dezavantajları vardır. Bu durum karbondioksit için de geçerlidir fakat iyi tasarlanmış bir sistemde yüksek üçlü nokta ve düşük kritik basınç değeri büyük bir önem taşımaz. Karbondioksitin üstün ısıl özelliklerine ek olarak çevreye verdiği zararın az oluşu, düşük fiyat ve kolay bulunabilmesi gibi avantajları vardır.
3.1 Sıcaklık ve Basınç
Düşük sıcaklık kademesinde karbondioksitin uygunluğuna karar verebilmek için -40 o
C buharlaşma ve -10 oC yoğuşma aralıklarında kullanılabilen diğer soğutucu akışkanlarla karşılaştırılması gerekir. Kritik sıcaklığın yanında 1 ve 41 bar basınç değerlerindeki sıcaklıklar Şekil 3.1’de ve kritik basınç ile -40 oC, -10 oC, 20 oC sıcaklıklardaki basınçlar Şekil 3.2’de gösterilmiştir. 41 bar sınırı, bu basınca kadar uygun devre elemanı bulma konusunda zorluk olmadığı için seçilmiştir.
-150 -100 -50 0 50 100 150 CO 2 NH 3 R22 R23 R13 4a R40 4A R40 7C R41 0A R50 8A R12 70 S ıc a k lı k ( °C ) T,1bar (°C) T,41bar (°C) Tkrit (°C)
Şekil 3.1 : Bazı soğutucu akışkanların 1 ve 41 bardaki sıcaklıkları ve kritik sıcaklıkları [1] 0 20 40 60 80 100 120 CO 2 NH 3 R22 R23 R13 4a R40 4A R40 7C R41 0A R50 8A R12 70 B a s ın ç ( b a r) P -40°C (bar) P-10°C (bar) P,20°C (bar) Pkritik (bar) Şekil 3.2 : -40 o
C, -10 oC, 20 oC sıcaklıklardaki basınçlar ve kritik basınçlar [1]
R23, R116, R134A ve R218 çoğunlukla karışım halinde kullanılır. R23 sıklıkla -80 o
C gibi düşük sıcaklıklarda kullanılır. Bazı soğutucu akışkanlar ise normal sistemlerde kullanmak için oldukça pahalıdır.
Karbondioksit özel bir soğutucu akışkandır. Yüksek buhar basıncına sahiptir. Diğer yandan düşük sıcaklık bölgesi -56.6 oC olan üçlü nokta sıcaklığıyla sınırlandırılmıştır. Bunun sonucu olarak çalışma aralığı 60K mertebesinde olan tüm soğutucu akışkanlar içinde, karbondioksit çalışma sıcaklıkları en düşük olan soğutucu akışkandır. Bu aralık üçlü noktanın biraz üstünden 5 oC’ye (40bar) kadardır. Diğer bir uçdeğer soğutucu akışkan propan -42 oC (1bar) ile 93 oC (42bar) arasında 135K sıcaklık aralığına sahiptir. Propanın ardından 131K ile propen gelmektedir.
Bir işletmede sıcaklık aralığı çoğunlukla sabittir ve ticari soğutmadaki -40 oC / -10 oC sıcaklık aralığı karbondioksite uygun olduğundan ne alt ne de üst sınır karbondioksit kullanımına engel olacak düzeydedir.
Eğer bir işletmede taşınabilir soğutma üniteleri ile ya da değişken şartlarda soğutma yapılıyorsa propan yada propen seçilebilir fakart bu soğutucu akışkanların parlama özelliği vardır.
3.2 Soğutma Tesir Katsayısı ve Kapasite
Süpermarket, soğuk hava deposu ve gıda işleme merkezi gibi işletmelerin kaskad soğutma sistemleri dikkate alındığında, her iki kademedeki soğutucu akışkanlar aynı olabilir fakat çoğunlukla farklıdır. Her bir soğutucu akışkan kendi kademesindeki çalışma şartları için optimize edilir. Dikkat çekici bir nokta, geniş bir soğutucu akışkan yelpazesi için soğutma tesir katsayısı değerlerinin birbirine yakın oluşudur. Bu soğutma tesir katsayısı değerleri -40 oC buharlaşma ve -10 oC yoğuşma şartları için hesaplanan teorik değerlerdir. Đzentropik sıkıştırma verimi; sıkıştırma oranı ile ters orantılıdır.
Bazı soğutucu akışkanlar çevrimde değişiklikler yapıldığında daha iyi sonuç verir. Örnek olarak aşırı soğutucu ya da buhar kızdırıcı eklemek bunlardan bazılarıdır. Bazı
duyarlar ya da belirli bir soğutucu akışkan için özel olarak tasarlanmış devre elemanlarının kullanılması gerekebilir.
Karbondioksit kullanılan soğutma sistemi bileşenleri, özellikle kompresörler oldukça hızlı bir gelişim içerisinde olmakla beraber üretici firmalar tarafından bu gelişmelerin gelecekte süreceği belirtilmektedir. Karbondioksit yüksek basınca sahip olmakla birlikte seçilen sıcaklık aralığında diğer soğutucu akışkanlar içinde sıkıştırma oranı en düşük olan soğutucu akışkandır. Bu durum kompresör tasarımını basitleştirmektedir.
Buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıkları arasındaki düşük fark soğutma tesir katsayısı değerinin iyileştirilmesini göreceli olarak sınırlandırmaktadır. Örnek olarak 40/-30 oC gibi daha yüksek sıcaklık faklarında soğutma tesir katsayısı değeri önemli ölçüde düşmekte, R404A ve R507A için devreye ekonomizer eklenmesi sayesinde kayda değer bir iyileşme gözlemlenmektedir. Bu nedenle tüm olası etkenler göz önünde bulundurularak genel bir karşılaştırma yapmak mümkün değildir. Çalışma şartlarının ve sistem bileşenlerinin dikkatli seçilmesi ile herhangi bir soğutucu akışkanın üstün sonuçlar vereceği gösterilebilir. Diğer bir can alıcı nokta ise, halojene edilmiş hidrokarbonların yaklaşık 60 yıllık gelişim sürecine rağmen doğal soğutucu akışkanlardan daha iyi sonuçlar verememesidir.
Çevrimlerde soğutma tesir katsayısı değerlerinin birbirine yakın olduğu daha önce belirtilmişti fakat soğutma tesir katsayısı değerlerinin birbirine yakın olması, her zaman için tahliye sıcaklıklarının da birbirine yakın olacağı anlamına gelmemektedir. Makul seviyede olmak şartıyla tahliye sıcaklığının yüksek olması buz çözme işlemine katkısı olacağından istenen bir durumdur. Karbondioksit aşırı olmamakla birlikte yüksek kızdırma değerine sahiptir. Sadece R32 ve amonyakta bu değer daha yüksektir.
Birim hacimsel debi başına kapasite karşılaştırılması yapılırsa karbondioksit diğer soğutucu akışkanlara üstünlük sağlamaktadır. Diğerleri karbondioksitin ulaştığı
3.3 Devre Elemanları
Şekil 3.3 100 KW güce sahip ve -40 oC buharlaşma -10 oC yoğuşma şartlarında çalışan bir soğutma sisteminin boru ölçülerini göstermektedir. Sonuç gayet açık gözükmektedir ki karbondioksit kullanılan sistemin boru çapları amonyaklı sistemden sonra en düşük değerlere sahiptir. Sıvı hattı çapı karbondioksitli sistemde 13 mm iken amonyaklı sistemde 11 mm’dir. Bu durum amonyağın yüksek özgül ısı değerinden dolayı şaşırtıcı değildir. Şekil 3.3’de görülen çaplar söz konusu iken 5 metre uzunluğundaki boruda 0.5 oC’lik sıcaklık farkına denk gelen basınç düşümü gerçekleşmektedir.
Şekil 3.3 : Çeşitli soğutucu akışkanların 100 KW kapasite için boru çapları [1]
Şekil 3.4 100 KW güce sahip ve -40 oC buharlaşma -10 oC yoğuşma şartlarında çalışan, yoğuşan sıvının 3K soğutulduğu ve buharın 5K kızdırıldığı bir soğutma sisteminde çeşitli soğutucu akışkanların R507A ya göre karşılaştırmalı olarak ısı geçişini göstermektedir.
Şekil 3.4 : R507‘ye göre plakalı buharlaştırıcı ve yoğuşturucu ısı geçişleri [1]
Sıvı hattı çapı Şekil 3.3’deki gibi, evaporatör boru çapı ise evaporatör giriş ve çıkış çaplarının geometrik ortalaması kabul edilmiştir. Şekil 3.4’de gösterilen değerler soğutucu akışkanların ısı geçiş katsayılarıdır ve toplam ısı geçiş katsayılarının değişkenlik göstermesi doğaldır. Düşük viskoziteli bir karışım için her iki tarafın toplam ısı geçiş katsayısı önemliyken, düşük sıcaklıkta hava soğutan soğutucu üniteler neredeyse tamamen hava tarafından belirlenen toplam ısı geçiş katsayısına sahiptirler.
Sonuçların her akışkan için optimize edilmiş borulara göre verildiğine dikkat edilmelidir. Ne yazık ki ısı değiştirici kanalları ayrı ayrı her soğutucu akışkan için optimize edilemediğinden geniş bir yelpaze için uygun olmak zorundadır. Böylece CO2, R23, R41, R508A gibi soğutucu akışkanlar diğerlerine göre daha iyi sonuç vermektedir.
Karbondioksit taşıyan boruların çapları normal çözeltilere kıyasla çok daha küçüktür. Özellikle propilen glikol taşıyan boru çapları oldukça yüksektir ve bu salamura
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Yoğuşturucu ısı geçişi Buharlaştırıcı ısı geçişi
C O 2 N H 3 R 2 3 R 4 1 R 2 2 R 1 1 6 R 1 3 4 a R 4 1 0 A R 4 0 4 A R 5 0 7 C R 5 0 8 A R 1 2 5 R 4 0 7 C R 3 2 R 2 9 0 R 1 2 7 0 R 2 1 8
değildir. Bununla birlikte çap aynı kalmak şartıyla boru hacmi, başka bir deyişle boru uzunluğu kabaca pompa gücüyle doğru orantılıdır.
3.4 Karbondioksit ve Tuz Çözeltilerinin Karşılaştırılması
Şekil 3.5 : Karbondioksit ve tuz çözeltisinin kullanıldığı bir kaskad soğutma sistemi
Şekil 3.5 soğuk hava deposu, soğutma üniteleri, buz pisti, süpermarket teşhir alanı gibi uzak mesafeden ısı çeken iki çevrimi göstermektedir. Çevrimlerden birinde tuz çözeltisi kullanılmaktadır. Sistemin nerede kullanıldığı tuz çözeltisinin türünü belirleyen önemli bir etkendir. Örneğin buz pistlerinde kalsiyum klorid, süpermarkette propilen glikol, kimya fabrikalarında amonyaklı su kullanılmaktadır.
Diğer sistem sabit basınçlı soğutma çevrimidir. Sıvı soğutucu akışkan toplayıcıdan soğutulan ortama gönderilerek orada buharlaştırılır. Isı değiştiricinin cinsine göre genellikle %25 - %80 arası buharlaşma yapılır. Đki fazlı karışım sıvı toplayıcıya geri döner, buhar tekrar yoğuşur ve yoğuşmuş sıvı alıcıya geri döner.
Şekil 3.6’da görüldüğü gibi tuz çözeltileri için boru ebatları karşılaştırılmıştır. Karbondioksit bu karşılaştırmada kullanılan tek soğutucu akışkandır. Fiyat ve akışkan özellikleri diğer soğutucu akışkanları bu karşılaştırmada dışarıda bırakmıştır.
Soğutucular
Soğutucular Çözelti soğutucu /
Buharlaştırıcı 100KW Kaskad ısı değiştirici
CO2 devresi
Đki fazlı hat
Sıvı hattı
Tuz çözeltisi Orta-Sıcaklık
Soğutucu akışkan
0 20 40 60 80 100 120 140 160
CO2 sıvı CO2 iki fazlı Propilen Glikon (%39 -%57) Kalsiyum Klorid (%18 - %54) Amonyaklı Su (%11 -%20) B o ru Ç a p ı (m m ) -40 °C -10 °C
Şekil 3.6 : Bazı tuz çözeltileri ve CO2 için boru çapları
Karbondioksitin avantajları özetle şu şekildedir;
• Boru ölçüleri tuz çözeltili sistemlerde olduğundan daha küçüktür • Pompalama maliyetleri oldukça düşüktür
• Tepki süresi kısadır, sıcaklık değiştirilecekse tuz çözeltilerinde önemli ölçüde gecikme olmaktadır
• Đki fazlı sistemde sıcaklık ve basınç değişimi anlık olarak gerçekleşir. Bu durum örnek olarak buz pistlerini dondurma işleminde önem taşımaktadır. Buz pistlerinin alanı çok geniş olduğundan pistin tabanından uzun borular geçmektedir. Yüzey sıcaklığı mümkün olduğunca sabit tutulmalıdır. Nem oranında ve sıcaklıkta değişme olduğunda soğutma sistemi buna hızlıca tepki
• Yüksek viskoziteli tuz çözeltilerinin kaskad evaporatörlerde soğutulmaları pratik olarak zordur. Karbondioksit için böyle bir problem söz konusu değildir.
• Karbondioksit aynı sıcaklıkta buharlaşır ve yoğuşur. Buharlaşan orta sıcaklık düzeyindeki soğutucu akışkan ve soğutulacak ürün arasındaki toplam sıcaklık farkı karbondioksit için düşüktür. Bu fark tuz çözeltilerinde daha yüksektir. Başka bir deyişle ürünler daha düşük bir sıcaklığa soğutulabilir ya da orta düzey sıcaklık yükseltilebilir ve bunların sonucunda maliyetler düşürülebilir.
Şekil 3.6’da buharlaşan karbondioksit ve tuz çözeltileri için boru ölçüleri gösterilmişti. Karbondioksit devresinin boru çaplarının daha küçük olduğu belirtilmişti. Karbondioksit kullanımının tek avantajı bu değildir.
Karbondioksit kaskad yoğuşturucu/buharlaştırıcıda yoğuşurken tuz çözeltisi evaporatörde soğumaktadır. Yüksek viskoziteli tuz çözeltisinin soğutulması zor bir işlemdir. Pratik olarak her tip ısı değiştiricisi paralel kanallar içinde dolaşan yüksek viskoziteli tuz çözeltisinin istenmeyen şekilde dağılımına eğilimlidir.
Temel olarak tuz çözeltisini soğutmak yarı kararlı bir işlemdir. Isındığında gaz fazına, soğuduğunda ise sıvı fazına geçen akışkan, paralel kanallarda düzgün dağılma eğilimi gösterecektir. Bu nedenle tuz çözeltisi yerine ikincil soğutucu akışkan olarak karbondioksit kullanılması yüksek basınçlı olmasına rağmen sadece küçük ebatlı devre elemanlarının kullanımını sağlamakla kalmaz, bu elemanların daha iyi çalışmasını da sağlar.
Kanallardan birinde soğutma işlemi yapan akışkan bir miktar ısınırsa daha az buhar yoğuşur, akışkan daha az ısınır, sıcaklık farkı artar ve daha çok buhar yoğuşur. Yüksek viskoziteli tuz çözeltisi soğutuluyorsa doğrudan genişlemeli yerine taşırmalı evaporatör kullanılmalıdır. Taşırmalı evaporatör içindeki görece daha yüksek sirkülasyon oranına sahip soğutucu akışkan tüm kanalların ıslak yüzeyle kaplanmasını sağlar.
3.5 Hapsolmuş Sıvı
Doymuş sıvı fazdaki soğutucu akışkanın bir boru içinde iki valf arasında hapsolduğu bir durumda sıcaklık arttığında sıvı basıncı da artacaktır. Bu durum doyma basıncının artmasına neden olmaz fakat sıvı yoğunluğunun azalmasına ve sıvının daha fazla yer kaplamasına yol açar. Boru genişleyemiyor yada az genişliyorsa ısınan sıvının başlangıçtaki yoğunluğunda kalabilmesi için basıncın yükselmesi gerekir.
Şekil 3.7 : Hapsolmuş sıvı bölgesindeki basınç artışına karşılık gelen sıcaklık artışı
Şekil 3.7’de birinci sütun -10 oC’deki doymuş sıvının 200 bar basınca çıkabilmesi için gerekli sıcaklık artışını göstermektedir. Đkinci sütun 200 bar basınca karşılık gelen sıcaklıktaki buhar basıncını göstermektedir. Tehlikeli basınç buhar basıncından daha önce yükselmektedir. Örnek olarak amonyak 1.5 oC sıcaklıkta, 11.5K sıcaklık artışıyla 200bara ulaşır fakat bu noktada buhar basıncı sadece 4.5 bardır. Đlginç bir nokta ise R23 ve R116 gibi yüksek basınçlı soğutucu akışkanların basınç artışına karşı koymaya çalışmalarıdır. Sıcaklık artışı; izotermal sıkıştırılabilirliğin (basınçla değişim) hacimsel genişlemeye (sıcaklıkla değişim) oranıyla doğru orantılıdır.
0 10 20 30 40 50 60
200 bar için ∆T (°K) Pdoyma (bar) Gerekli ısı (kJ)
R 2 2 R 1 1 6 R 1 3 4 a R 3 2 C O 2 N H 3 R 4 1 R 1 2 5 R 4 0 4 A R 4 1 0 A R 4 0 7 C R 5 0 7 C R 5 0 8 A R 1 2 7 0 R 2 9 0 R 2 3 R 2 1 8
sıcaklık farkı çok daha yüksektir. Sıcaklık farkı bakımından karbondioksit R407C ve R410A’ya yakındır fakat genişleme ve sıkıştırılabilirlik değerleri her iki soğutucu akışkanın yaklaşık 2 katı kadardır.
Sıcaklık artışı ani tehlikeli basınç artışının büyüklüğünü belirleyen tek etken değildir. Enerji miktarı da ayrıca önemlidir. Bu da yoğunluk, özgül ısı ve sıcaklık farkı ile orantılıdır. Çok yüksek özgül ısı değerinden ötürü karbondioksit bu noktada görece iyi sonuç verir.
Son sıcaklığın yalnızca sıcaklık artışına değil aynı zamanda başlangıç sıcaklığına da bağlı olduğu bilinmelidir. Başlangıç sıcaklığı ne kadar düşük ise ani tehlikeli basınç artışı o kadar hızlıdır. Bu açıdan bakıldığında karbondioksit bir anlamda güvensiz bir soğutucu akışkandır. Sızıntıyla birlikte ani basınç düşümünde katı karbondioksit oluşabilir. Sistemin bir yerinde sıvı fazda hapsolmuş akışkan bölgesi ortaya çıkabilir. Sistemin geri kalanı tahliye olmuş durumda olsa ve güvenli olduğu sanılsa da bu durumda çok büyük basınç artışı yaşanır.
3.6 Baloncuklanma Derinliği
Doymuş sıvının basıncı düştüğünde, sıvı buharlaşmaya başlar. Bu basınç düşüşü yüzeyde küçük basınç düşüşleri ve daha derinde yüksek basınç düşüşleri şeklindedir. Baloncuklanma derinliği soğutucu akışkanın toplam buhar basıncıyla doğru, sıvı yoğunluğu ile ters orantılıdır. Seperatörde sıvı yüzeyi doyma noktasındadır. Daha derinde sıcaklık aynı fakat statik sıvı basıncı farkından dolayı basınç daha yüksektir ve bu bölgedeki akışkan sıkıştırılmış sıvı bölgesindedir. Seperatörde ani bir basınç düşüşü durumunda, örneğin ek bir kompresörün devreye girmesi halinde belirli bir derinlikte basınç birden bire doyma basıncının altına iner ve söz konusu derinlikte baloncuklanma başlar. Şekil 3.8’de hazne içindeki baloncuklanma görülmektedir.
Şekil 3.8 : Baloncuklanma Derinliği
Aynı zamanda baloncuklanma derinliği ile yüzey gerilimi arasında belirlenmesi zor bir ilişki vardır. Yüzey gerilimi büyük ise buhar habbeciğinin oluşması ve büyümesi zordur. Bunun sonucunda sıvı ısınmış olur ve kararsızlaşır. Karbondioksit yüksek buhar basıncına ve ortalama düzeyde bir yoğunluğa sahip olduğundan baloncuklanma derinliği büyüktür. Bu durum karbondioksit için olumlu bir özelliktir. Birçok soğutucu akışkanın -10°C’deki baloncuklanma derinliği 1 m’den azdır. Şekil 3.9 çeşitli soğutucu akışkanların -10°C ve -40°C sıcaklıklarında %2 oranında basınç düşümü meydana geldiğinde baloncuklanma derinliklerini göstermektedir.
T opl a m Y üks e k li k B a lon c ukl a nm a d e ri nl iğ i, H b
Şekil 3.9 : Soğutucu akışkanların baloncuklanma derinlikleri [1]
Baloncuklanma geçici bir olay olmasına karşın bunun sonucunda ortaya çıkan köpürme başa çıkılması zor olan bir durumdur. Buhar habbelerinin pompa içine girmesi pompayı hasara uğratmaktadır. Bu nedenle karbondioksitli sistemlerde seperatör diğer soğutucu akışkanlı sistemlere göre daha yüksek bir noktaya yerleştirilmeli ve seperatör dönüş borusunun çapı baloncuk oluşmaması açısından sıvının rahatça yukarı aşağı hareket edebilmesi için büyük olmalıdır.
Riski azaltmak için küresel vanalar yerine bilyalı vana kullanılması daha yararlı olur. Kapalı ya da açık olsun kuru buzla dolan bir küresel vana çok yüksek basınca dayanabilir. Bilyalı vananın açık olması durumunda yüksek basınç, sıkışmış bir buz parçacığını yerinden sökebilir. Küresel vanada bu durum her zaman gözlenmeyebilir.
Sonuç olarak;
• Mevcut buhar basıncından daha yüksek olan çalışma basıncı, hapsolmuş sıvının ısınmasıyla daha da yükselebilir.
0 1 2 3 4 5 6 -10°C -40°C C O 2 N H 3 R 2 2 R 2 3 R 3 2 R 4 1 R 1 1 6 R 1 2 5 R 1 3 4 a R 4 0 4 A R 4 0 7 C R 5 0 7 A R 5 0 8 A R 4 1 0 A R 2 9 0 R 1 2 7 0 R 2 1 8 Hb (m )
• Basınç ne kadar yüksek ise baloncuklanmanın başladığı sıcaklık o kadar düşüktür.
• Karbondioksit sızıntısı kuru buz parçacıklarının oluşumuna sebep olabilir.
• Boru genişleyebilme özelliğine sahip ise basınç artışı fazla olmaz. Böyle bir durumda bakır boru çelik boruya göre daha güvenlidir.
3.7 Sıcaklık Gradyanı
Doyma sıcaklığı doyma basıncı eğrisinin eğimi karbondioksit için diğer akışkanlardan çok daha yüksektir. Bunun hem olumlu hem olumsuz sonuçları vardır.
Evaporatörün dönüş borusu daha yükseğe yerleştirilebilir fakat yoğuşmuş sıvının sıkıştırılmış sıvı bölgesine soğutulması sınırlı bir alanda gerçekleşir. Bu durum karbondioksitin önemli bir özelliğidir. Eğer karbondioksit tuz çözeltisi yerine kullanılırsa, uzak mesafelere pompalandığında vana, dirsek gibi engellerden geçecek ve dönüşteki basınç düşümü fazla olacaktır. Karbondioksit evaporatöre geldiğinde sıcaklığı doyma sıcaklığının altında olacak ve buharlaşma başlayana kadar ön ısıtmaya ihtiyaç duyulacaktır.
Doymuş sıvı karbondioksitin aşırı soğutma ihtiyacı diğer tüm soğutucu akışkanlar arasında en düşüktür. R23, R41, R508B karbondioksite yakındır fakat daha düşük değildir. Örnek olarak R404A -40 oC’de 9K kadar soğutmaya ihtiyaç duyar. Karbondioksit için bu değer 1.5K dir. Şekil 3.10’da bazı soğutucu akışkanlar için aşırı soğutma sıcaklık farkları görülmektedir.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 C O 2 N H 3 R 2 2 R 2 3 R 3 2 R 4 1 R 1 1 6 R 1 2 5 R 1 4 3 a R 4 0 4 A R 4 0 7 C R 4 1 0 A R 5 0 7 A R 5 0 8 A R 2 9 0 R 1 2 7 0 R 2 1 8 ∆T( -10°C), K ∆T( -40°C), K
Şekil 3.10 : Bazı soğutucu akışkanlar için -40 o
C ve -10 oC’deki aşırı soğutma sıcaklık farkları [1]
Eğer -30 oC’deki hava -35 oC’ye soğutulacaksa bu durumda karbondioksit uygun bir soğutucu akışkan değildir. R404A -31 oC’de kaynamaya başlar. R404A kullanılması için buharlaşma sıcaklığı en fazla -50 oC’ye inmelidir. Bununla beraber sıcaklık düştükçe aşırı soğutma işlemi de zorlaşır. Amonyak bu anlamda çok iyi değildir fakat üstün ısı geçiş özellikleri amonyağa avantaj sağlamaktadır. Düşük sıcaklıklı amonyak termosifon sistemi tasarlanırken seperatör yüksekliğinin fazla olmamasına dikkat edilmelidir.
Doymuş sıvının soğutulması hem akışkan sıcaklığıyla hem de evaporatörden çıktıktan sonraki basınç düşümüyle değişmektedir. Karbondioksit pratik olarak sabit basınçta buharlaşma ve yoğuşmada kullanılan tuz çözeltilerinin yerine kullanılabilecek tek soğutucu akışkandır. Bunun yanında ucuz, çevreye zararı az ve elde edilmesi kolaydır.
Olumsuz sonuçlar ise şu şekildedir:
ısıya maruz kalan uzun borularda ve özellikle pompa seviyesinin altındaki düşük basınçlı borularda aşırı ısınma söz konusu olur ve buharlaşma başlar. Sonuçta sıvı molekülleri buharın içine ya da buhar molekülleri sıvının içine karışarak sistemde pompa ve kompresör gibi elemanlara zarar verebilir. Bu nedenle devreler ani basınç değişimleri olmayacak şekilde tasarlanmalıdır.
4. DEVRE KURULUMUNDA GÖZ ÖNÜNDE BULUNDURULMASI GEREKEN HUSUSLAR
Her soğutucu akışkanın kendine özgü fiziksel ve termodinamik özellikleri vardır. Bu özellikler soğutma devrelerinin kurulumunda göz önünde bulundurulmalıdır. Soğutma sistemleri kurulurken kullanılacak soğutucu akışkanın cinsine göre kullanılacak boru malzemesi, vana, kompresör, ısı değiştiricisi, sıvı hazneleri ve diğer yardımcı elemanlar değişkenlik göstermektedir. Bu bölümde karbondioksit kullanılan devrelerin kurulumunda dikkat edilmesi gereken bazı önemli noktalara değinilmiştir.
4.1 Karbondioksit Korozyonu
Karbondioksit pratikte metaller ve elastomerler ile kimyasal tepkimeye girmez fakat dikkat edilmesi gereken bazı hususlar vardır.
• Metaller: Karbondioksit suda çözündüğünde karbonik asit (H2CO3) oluşur. Ortamda özellikle oksijen de bulunuyorsa karbonik asit korozif etki göstermektedir. Paslanmaz çeliklere etkisi olmasa da, karbon çelikleri, pirinç, bakır ve bakır alaşımları üzerinde etkisi vardır. Korozif etki yağlar ile giderilebilir. Paslanmaz çelikten imal edilen plakalı ısı değiştiricilerde korozyona bağlı problemler ortaya çıkmaz fakat kompresörlerde sorunlar gözlenmektedir.
• Yağlar: Yağlar kimyasal olarak karbondioksitten etkilenmez fakat karbondioksit bazı yağlarda çözünebilmekte ve basınç düştüğünde köpüklenme meydana gelebilmektedir. Yağın yüksek sıcaklık gibi bazı durumlarda kalitesinin bozulması ve içerisinde korozif ürünler oluşması söz konusu olmaktadır. Su ve oksijen yağın bozulmasıyla ortaya çıkan maddelerle bileşikler oluşturarak organik asitlerin ortaya çıkmasını sağlar.
• Elastomerler: Karbondioksit elastomerleri korozyona uğratmaz ya da kimyasal olarak etkilemez fakat yüksek basınçtaki karbondioksit elastomerlerin içine difüzyon ile geçebilir ve çoğu zaman basınç tekrar azaldığında elastomerlerden ayrılırken zarar verebilir.
• Nem: Soğutma sistemi havadaki nemden mümkün olduğunca korunmalıdır. Avrupa’da yapılan bir gözleme göre karbondioksit ve HFC soğutucu akışkanlı devrelerin kurulumunda çalışan operatörler, amonyaklı devre kurulumu yapan operatörlere göre daha fazla saat eğitime tabi tutulmaktadır. Bunun nedeni amonyağın diğer soğutucu akışkanlara göre nemden daha az etkilenmesidir.
4.2 Sızıntı
Sistemin bir noktasındaki basıncın dış ortam basıncına düşmesiyle, ortaya çıkan ilk buhar habbelerini takiben akışkanın sabit basınçta buharlaşması söz konusudur. Đyi yalıtılmış bir haznede buharlaşma yavaş olur. Buharlaşma; sıcaklık farkıyla doğru, gizli ısı ile ters orantılıdır. Amonyağın buharlaşma hızı düşüktür. Bu durum haznenin tamamen boşalması için geçen zamanın fazla olacağını gösterir. R508 hazneyi daha çabuk terk eder bunun nedeni yüksek ilk buharlaşma miktarı, dış ortamla olan büyük sıcaklık farkı ve küçük gizli ısıdır.
Bir haznenin en alçak noktasıyla sıvı sütunu arasındaki bir yerde gerçekleşen sızıntı durumunda, haznedeki akışkan sızıntı bölgesine doğru ilerler, bunu takiben buharlaşmayla tahliye devam eder. Sızıntı haznenin en alt noktasında ise akışkan tamamen boşalır. Ancak bu durum karbondioksit için geçerli değildir. Karbondioksit üçlü noktaya ulaştığında katılaşır ve katı fazda kalarak haznede kalır. Buna rağmen ilk buharlaşma meydana gelir. Bu durum diğer soğutucu akışkanlarda gözlenmeyen bir durumdur. Katı fazdaki karbondioksit sızıntı bölgesini kaplayarak sızıntıyı keser, basınç yükseldiğinde sızıntı tekrar başlar. Bu durumun olumlu yönü ise kuru buz
Şekil 4.1’de iki farklı hazne çıkışı tasarımı görülmektedir. Soldaki tasarımda hazne çıkışındaki boru doğrudan pompaya düşey olarak gitmektedir. Bu durumda sızıntıyla oluşan ve hazne dibinde biriken buzların pompaya girmesi olasıdır ve bu pompa için çok sakıncalık bir durumdur. Sağdaki tasarımda ise hazne çıkışına küçük bir toplama kabı yerleştirilmiştir ve sıvı bu toplama kabının üst seviyesinden yatay olarak çıkmakta, belli bir mesafe katettikten sonra dönerek düşey duruma gelmektedir. Bu tasarım, kuru buzun pompaya girme riski neredeyse ortadan kalkmış olduğundan diğer tasarıma göre daha sağlıklıdır.
Şekil 4.1 : Kuru buz oluşumu durumunda hazne tasarımı (a) yanlış, (b) doğru
4.2.1 Amonyum Karbamat Oluşumu
Karbondioksitin kaskad ısı değiştiricilerde amonyağın içine sızması durumunda amonyum karbamat oluşur. Pratikte karbondioksitin basıncı amonyak basıncından yüksek olduğundan sızıntı amonyak tarafına doğru olur. Amonyum karbamat korozif ve aşındırıcıdır. Kompresörlerde büyük arızalara ve zararlara yol açar. Doğrudan genişlemeli evaporatörlerde beyaz toz şeklinde fark edilebilir. Çabuk fark edilirse kompresör arızalarının önüne geçilebilir. Amonyum karbamat suda çözünebilir ve 60 o
C’nin üstüne ısıtıldığında amonyak ve karbondioksite ayrışabilir. Gazlar sistemden tamamen uzaklaşana kadar sıcaklık sabit tutulmalıdır, aksi takdirde gazlar tekrar bileşik oluşturabilir.
4.3 Üçlü Noktaya Yakın Karbondioksit
Đçinde sıvı karbondioksit bulunan bir haznenin sıcaklığı üçlü nokta sıcaklığı olan -56.6 oC’ye yakın ise ani basınç düşümü, sıcaklığın üçlü nokta sıcaklığının altına düşmesine neden olabilir. Böyle bir durumda kuru buz oluşur ve buzun yoğunluğu sıvıdan yüksek olduğundan buz dibe çöker. Kuru buz kitlesi, boru boyunca ilerlemesi sonucunda pompayı tıkayabilir ya da tahrip edebilir. Sirkülasyon pompasına giden hazne çıkışı hidrolik bakımdan girdapların önlenmesine karşı uygun şekilde tasarlanmış ise bu tehlikenin büyük oranda önüne geçilebilir. Düşey çıkışlarda haznenin alt kısmında özellikle düşük viskoziteye sahip karbondioksit akış halindeyken girdap oluşumu kolaydır. Katı fazdaki karbondioksit sıvıdan daha az hacme sahip olduğundan sulu devrelerde görülen donmaya bağlı hasarlar karbondioksitli devrelerde görülmez.
4.4 Soğutma Sistemin Durdurulması
Kompresörün durdurulması durumunda karbondioksit devresinde basınç yükselmeye başlar. Buna karşılık devre olası birkaç farklı şekilde tepki verebilir. Şekil 4.2’de sistemin durdurulması için alınabilecek olası beş farklı tedbir görülmektedir.
A B C D E E
• Şekil 4.2 (a)’da görüldüğü gibi emniyet için önceden ayarlanmış basınca ulaşıldığında acil durum valfleri karbondioksit gazını devreden tahliye eder. Kaybedilen karbondioksit gazı daha sonra yerine konmalıdır.
• Şekil 4.2 (b)’de görüldüğü gibi devredeki karbondioksit gazı devrenin her noktasındaki sıcaklık ve basınç izlenerek kontrollü biçimde boşaltılır. Bu uygulama kaybedilen karbondioksit miktarından bir miktar tasarruf sağlanmasına yardımcı olur.
• Şekil 4.2 (c)’de olduğu gibi sistemde önceden kurulmuş özel bir acil durum soğutma ünitesi varsa bu ünite devreye girer ve buharlaşan karbondioksit gazının yoğuşmasını sağlar.
• Şekil 4.2 (d)’de görülen, mümkün olan en yüksek basınca dayanabilecek bir hazneye sıvı karbondioksit pompalanarak, sistem durduğunda karbondioksitin buharlaşmasını ve basıncın artmasını engeller.
• Şekil 4.2 (e)’de gösterildiği gibi, yüksek basınçlı sistem kritik bileşenlerden en az ikişer adet kullanmak suretiyle kurulabilir.
Yukarıda belirtilen son iki madde planlı bir duruş söz konusu ise geçerlidir. Ani bir enerji kesintisinde bu iki maddenin geçerliliği yoktur.
4.5 Aşırı Soğutma ve Aşırı Kızdırma
Bazı durumlarda yoğuşmuş sıvının soğutulması emilen buharın kızdırılması ile gerçekleştirilebilir. Bunun temel olarak üç sebebi vardır.
• Yoğuşan sıvının soğutulması durumunda kısılma vanasından sonra buharlaşan akışkan miktarında azalma olacaktır. Kuruluk derecesi azalacak ve sıvı fazdaki madde miktarı artacaktır. Soğutma kapasitesini arttıran en önemli etken evaporatör içinde buharlaşan sıvı olduğundan, böylece kapasitede artış meydana gelir. Öte yandan emme tarafının girişindeki buharın yoğunluğu azaldığında hacimsel debi sabit kalıp ve kütlesel debi azalacağından kapasitenin düşmesi söz konusu olacaktır. Devrede sıvı fazdaki
kapasite, sıvı miktarının artışı ile toplam debinin azalması arasındaki dengeye bağlıdır.
• Bazı kompresör üreticileri mümkün olduğunca fazla miktardaki soğutucu akışkanın yağın içerisinden buharlaşarak ayrılabilmesi için emme girişindeki kızdırmanın 18 K ila 25 K düzeyinde olması gerektiğini belirtmektedir. Karbondioksit yağda yüksek çözünürlüğe sahiptir ve yağda çözündüğünde kompresöre giren karbondioksit miktarında azalma olacaktır.
• Kızdırma, yoğuşuk soğutucu/buhar kızdırıcıdan sonra kontrol edilir. Başka bir deyişle evaporatör az bir kızdırmayla hatta ıslak çalışabilir. Bu, evaporatör performansını arttırır.
4.6 Kaskad Ünitedeki Sıcaklık Farkı
Şekil 4.3 : Kaskad soğutma ünitesindeki sıcaklık değerleri
Şekil 4.3 kaskad yoğuşturucu/buharlaştırıcıdaki sıcaklıkları göstermektedir. 50 °C -9 °C Sıcaklık Çevrim -10 °C -14 °C -11 °C
Şekil 4.4 : Kızgın buhar soğutuculu bir kaskad soğutma ünitesindeki sıcaklık değerleri
Kızgın buhar soğutucusu yardımıyla ya da taşırmalı evaporatörden gelen buharla karışarak, buhar sıcaklığı düşerse, buharlaşan akışkanla olan sıcaklık farkı azalır hatta yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarını sağlamak mümkün olmayabilir. Böyle bir durumda sıcaklık farkı sıfıra yaklaşır ve evaporatör alanı sonsuza gider.
4.7 Karbondioksit Kalitesi
Su içeriğine bağlı olarak bir çok farklı karbondioksit kalitesi vardır. Karbondioksit kalitesi ve kullanılacak yağ konusunda kompresör üreticisinin tavsiyesine uyulmalıdır. Linde firmasının R744 soğutucu akışkan kalitesi 4.0 standardı uyarınca O2 ve H2O seviyeleri 10 ppm’den düşük olmalıdır. Bazı ester yağlar su üretme özelliğine sahip olduğundan bunların kullanımları sorgulanmaktadır. [2]
Sirkülasyonun kompresör yerine pompayla sağlandığı sistemlerde pratik olarak her kalitede karbondioksit kullanılabilir. Plakalı ısı değiştiricilerinde yüksek miktarda su içeren karbondioksit dahil olmak üzere bir çok kalitede karbondioksit sorun yaşanmadan kullanılmaktadır. Fakat valf ve pompa gibi diğer bileşenler karbondioksit kalitesine ısı değiştiriciden daha duyarlıdır.
Sıcaklık aralığı
daralıyor
0 °C
-9 °C
-10 °C
-11 °C
-14 °C
Sıcaklık
Çevrim
4.8 Karbondioksit Devresinde Kötü Koku Oluşumu
Koku genel olarak evaporatörlerde ortaya çıkmaktadır. Evaporatörler gerektiğinde temizlenmelidir. Soğutucu devrelerindeki kötü kokunun sebebi yağlar ve yağlardan ayrışan ürünlerdir. Koku korozyonun işaretçisidir ve aşırı koku korozyonun yol açabileceği hasarlardan dolayı göz ardı edilmemelidir.
4.9 Karbondioksitin Devreye Doldurulması
Yaygın olarak doldurma işlemi gaz fazında yapılır ve basınç üçlü nokta değeri olan 5.2 barın yeterince üstünde olmalıdır Aksi halde kuru buz oluşma ihtimali ortaya çıkar. Kuru buz valfleri ve boruları tıkayabilir. Belirli bir basınca ulaşıldıktan sonra doldurma işlemine sıvı fazda devam edilir.
4.10 Taşırmalı Evaporatörlü Devreler
Taşırmalı evaporatörlerde soğutucu akışkan evaporatörü ıslak terk eder. Akışı sağlayan kuvvet seperatördeki sıvının üst seviyesiyle evaporatörün girişi arasındaki kot farkıyla orantılıdır. Bu kuvvetin düşü yüksekliği boyunca oluşan; evaporatör içerisindeki ve evaporatörden seperatöre dönüşteki basınç kayıplarının tümünü yenmesi gerekir. Bu durum seperatör içerisindeki sıvı yoğunluğunun evaporatör içindeki ve çıkışındaki iki fazlı akışkan yoğunluğundan daha yüksek oluşuyla kendiliğinden sağlanır. Ayrıca sisteme pompa ilave ederek akışa takviyede bulunmak da mümkündür.
Normal olarak doğal sirkülasyonlu evaporatör ve seperatörün birbirine yakın olduğu durumlarda bu uygulama daha uygundur. Pompa yardımıyla sirkülasyon ise evaporatör ve seperatörün birbirlerinden uzak olduğu durumlarda tercih edilmelidir. Sirkülasyonda buhar – sıvı oranı 1.1 ila 10 arasında değerler alır. Bu aralıktaki değerler uygun değerlerdir. Bu oran ısıl yük, evaporatör cinsi ve boru uzunlukları ile
geçişini azaltan etkenlerdir. Büyük boru çapı ise düşey kısımlarda buharın sıvıyı yükseltememesine neden olur.
Dönüş kısmındaki basınç kaybı çok yüksek ise salınım tehlikesi baş gösterir. Buhar, üretildiği oranda dönüş kısmını terk edemez ve sıvı düşü bölgesine geri itilir. Bu durumda evaporatöre sıvı girişi durur ve buhar debisi azalır. Buhar dönüş kısmını terk eder ve evaporatöre yeniden sıvı girişi olur. Böylece aşırı miktarda buhar üretilmiş olur. Đyi bir tasarımda, dönüş kısmındaki basınç kaybı toplam basınç kaybının %25inden fazla değildir.
Zorlanmış akışlı sistemler doğal akışlı sistemler kadar kritik değildir. Pompa yüksek debilere göre ayarlanabilir. Eğer sistemdeki basınç kayıpları beklenenden fazla olursa sirkülasyon azalır. Bu çoğu kez öngörülebilir bir durumdur ve evaporatörler bu bakımdan esnek çalışabilme özelliğine sahiptir. Şekil 4.5 ve Şekil 4.6 bazı örnekleri göstermektedir.
Şekil 4.5 : Taşırmalı evaporatörlerde çıkış şekilleri (a) yatay çıkış, (b) açılı çıkış, (c) düşey çıkış
(a)
Tasarım koşullarının izin verdiği ölçüde Şekil 4.5 (a)’daki gibi yatay çıkışlar geniş bir ısıl yük yelpazesi sunmaktadır. Şekil 4.5 (b)’de olduğu gibi açılı çıkışlardan kaçınılmalıdır. Açılı çıkışlar akışta kararsızlığa yol açmaktadır. Şekil 4.5 (c)’de olduğu gibi düşey çıkış yatay çıkış kadar iyi olmasa da açılı çıkışa göre her zaman daha çok tercih edilen bir yöntemdir.
Şekil 4.6 : Sıvı haznesinde istenmeyen durumlar (a) hazneye üstten giriş, (b) sıvı içine gaz enjeksiyonu
Şekil 4.6(a)’da olduğu gibi sıvı haznesine üstten girişlerde gereksiz yere arttırılan kot farkı basınç kaybını arttırır. Şekil 4.6(b)’de görülen sıvı içine gaz enjeksiyonu kabarcık oluşumuna neden olacağından sıvı seviyesinde dalgalanma gözlenir.
Dar uzun seperatörler kısa ve geniş olanlara kıyasla daha ucuzdur ve daha iyi performans sergilemektedir. Termosifon seperatör-evaporatör tasarımlarında bütün girişler bir tarafta bütün çıkışlar ise diğer tarafta toplanmalıdır. Seperatör, toplayıcı ve seperatör olarak ikiye ayrılabilir. Böylece doldurulan sıvı miktarı en aza indirilir
(a)
valf yerleştirmekten kaçınılmalıdır kesme vanası gerekiyorsa bilyalı vana kullanılmalıdır. Küresel vanalar basınç kaybının çok yüksek olması nedeniyle tercih edilmez.
Akışkan içinde çözünmeyen yağları yoğunluklarının yüksek oluşu nedeniyle sistemin en alt noktasından tahliye etmek gerekir. Boru açılı yerleştirilirse yağ ayırma işlemi kolaylaşır. Özellikle düşük basınçlı buharın olduğu durumlarda basınç düşümü ile karşılaşmamak adına dönüş ayağı mümkün olduğunca iyi işlenmiş olmalı, boruların iç yüzeyleri olabildiğince pürüzsüz olmalıdır.
4.11 Doğrudan Genişlemeli (DG) Evaporatörler
Soğutulan tesislerde evaporatörler soğutucu ünitelere, donduruculara ve kurutuculara uzak mesafelerde bulunduğundan karbondioksitin çok uzak bölgelere dahi sorunsuz biçimde sevk edilebilmesi gerekir. Đşlem çoğunlukla sabit sıcaklıkta gerçekleşir. Sirkülasyon sağlanması için gereken küçük basınç farkları dışında karbondioksit aynı basınçta buharlaşıp yoğuşur. Şekil 4.7 doğrudan genişlemeli evaporatörlü devrelerdeki bazı olası yerleşim biçimlerini göstermektedir.
Şekil 4.7 : DG soğutucu ünitelerin yerleşim biçimleri (a)Farklı yükseklikte çıkışlar,
(a) (b)
(c) (d)
Yoğuşturucudan dönüş
Tek fazlı akışkanlarda paralel bağlanmış farklı tipte hazneler arasında akışkan dolaştırılması bir sorundur. Bu sorun iki fazlı akışkanlarda daha da büyüktür. Bazı noktalara değinmek gerekirse;
• Şekil 4.7’de gösterildiği gibi her ısı değiştirici grubu; gruplar birbirine uzak, birbirinden farklı tipte ve yükseklikteyse kendi pompasından beslenmelidir. • Şekil 4.7(a)’da soğutucular farklı yüksekliklerde yerleştirilmiştir. Çıkış
boruları soğutucu seviyesinin altındaki bir seviyede ortak bir hatta birleşmektedir. Eğer tüm ünitelerdeki basınç düşümü ile ortak hattaki basınç düşümü birbirine eşit ise, dağıtım iyi şekilde gerçekleşir. Buradaki sakınca şudur, en alt seviyedeki ünitenin kapasitesi aniden düşerse, bu ünite başta en üst seviyedeki ünite olmak üzere diğer ünitelerden karbondioksit çalmaya başlar.
• Şekil 4.7(b)’de olduğu gibi çıkışları ünitelerin üzerinde birleştirmek daha iyidir. Ünitedeki basınç düşümü, giriş ve çıkış arasındaki kot farkından daha az ise akışkan ünitenin üzerinden daha iyi dağıtılır ve kapasite değişimleri daha kolay telafi edilir. Eğer herhangi bir ünitenin kapasitesi sıfıra inerse basınç düşümü değişir. Sürtünmeden kaynaklı basınç kaybı az, statik iki faz basınç düşümü büyük ise bu kısımdaki akışkan daha yüksek yoğunluğa sahip olan sıvı ile yer değiştirecek ve kapasite artacaktır. Sürtünme kaybının yüksek, statik iki faz basınç düşümünün az olduğu durumda kapasite düşer. Hiç buharlaşmanın olmadığı ünitede akış gerçekleşmez ve boruda diğer ünitelerdeki basınç düşümüne denk gelen bir statik sıvı sütunu oluşur. Diğer üniteler bir miktar daha fazla akışkan kullanmış olurlar ve bunun olumsuz bir etkisi olmaz.
• Şekil 4.7(d)’de üniteler simetrik olmayan çıkışlarla yerleştirilmiştir. Başka bir deyişle en uzaktaki üniteden çıkan akışkan daha fazla yol katedecek, daha fazla sayıda dönüş ve dirsekten geçecektir. Bu durum hem besleme hem de
kullanılır. By-pass fazladan katedilen mesafe demektir bu da beraberinde kayıp getirmektedir.
• Sistem kurulumundan önce evaporatör üreticisine danışılmalıdır. Üretici firmalar evaporatörlerin hangi şartlarda en iyi performans gösterdiklerini iyi bilmektedirler.
4.12 Sistemde Yağlama
Doğrudan genişlemeli sistemlerde akış; kompresör, kondenser, kısılma vanası, evaporatör sırasıyla gerçekleşir. Doğal olarak yağ da bu yolu takip eder. Yağın dolaşımı için gerekli en düşük buhar hızı temel olarak yağ ve buhar yoğunluğuna, viskozitelere, yağın yüzey gerilimine ve boru çaplarına bağlıdır. Burada tutarlı bir tasarım yöntemi bulmak zordur. 5kPa/m düzeyinde basınç düşümü basit ve tutarlı bir formüldür. Uzunluk başına basınç düşümü önemli bir parametre olan cidar kayma gerilmesiyle doğru orantılıdır.
Şekil 4.8’de karbondioksit ve polialfaolefin (PAO) yağların yoğunluklarının sıcaklıkla değişimi görülmektedir. Polialfaolefin yağlar soğutma sistemlerinde kullanılan yağlardır. Karbondioksit ile yağların yoğunluk farkları çok azdır. Düşük sıcaklıklarda karbondioksit yağdan daha ağırdır. Yoğunluk farkının az oluşu karbondioksit ve yağı yerçekimi yardımıyla ayırmayı zorlaştırmaktadır. Bunun için lamelli seperatör gibi özel ayırıcılar gereklidir.
Şekil 4.8 : Karbondioksit ve yağ yoğunluklarının sıcaklıkla değişimi
4.13 Buz Çözme Đşlemi
Düşük sıcaklık bölgesinde çalışan kondenser 0 oC’nin oldukça altında çalıştığından dış ortamdaki hava içinde bulunan su zerrecikleri zamanla donarak sistemin havayla temas eden kısımlarının buzlanması söz konusudur. Oluşan buzun çözülmesi gerekmektedir. Düşük sıcaklık kademesindeki soğutucunun buzunun çözülmesi kompresörden çıkan sıcak gaz ile mümkün değildir. Karbondioksit için bazı yöntemler şunlardır:
• Elektrikle buz çözme düşük kapasiteli sistemler için uygundur.
• Yüksek sıcaklık kademesindeki glikolün kullanıldığı özel bir buz çözücü ünite kurulabilir.
• Gazı sıkıştırarak basıncı yükseltmek yerine sıvı fazdaki akışkanın basıncı arttırılarak buharlaştırıldıktan sonra sıvı ve buhar ayrılıp kızdırma işlemi
1100 1000 900 800 700 -30 -20 -10 0 10 20 Sıcaklık (°C) Yoğunluk (kg/m3) PAO CO2
